夏煥文，劉 焱，買靖東，匡晉安，于艷秋

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

冷卻風扇是車輛散熱系統(tǒng)中的關鍵部件，其高速旋轉產生的壓力能，通過熱交換器帶走整車熱量，維持車輛的熱平衡，保證車輛正常工作.而冷卻風扇的結構又直接影響冷卻風扇性能及可靠性，一旦因結構原因導致冷卻風扇性能異常、故障或失效，將使車輛停止工作，或損壞相關聯(lián)部件乃至損壞發(fā)動機.因此，在結構設計時必須十分慎重，確保冷卻風扇性能及可靠性符合使用要求.

1 冷卻風扇結構及工作原理

1.1 冷卻風扇結構

冷卻風扇原始結構主要由風扇葉輪、風扇靜子、馬達、連接盤、壓板、螺栓等主要元件組成，其原始結構簡圖如圖1所示.

圖1 冷卻風扇原始結構

冷卻風扇改進結構主要由風扇葉輪、風扇靜子、馬達、連接盤、套軸、平鍵、軸承、潤滑油管等主要元件組成，其結構簡圖如圖2所示.

圖2 冷卻風扇改進后的結構

1.2 工作原理

冷卻風扇原始結構 (圖1)工作原理是:固定在風扇靜子上的馬達工作時，其花鍵軸旋轉帶動通過壓板、螺栓固定在馬達花鍵軸上的連接盤旋轉，旋轉的連接盤與風扇葉輪固定而帶動風扇葉輪旋轉，冷卻風扇工作.工作時，高速旋轉的風扇葉輪產生的合力通過連接盤直接作用在馬達花鍵軸上，亦即馬達上，再通過馬達傳遞到風扇靜子上，最終作用在車輛上.

冷卻風扇改進后的結構 (圖2)工作原理是:固定在風扇靜子上的馬達工作時，其花鍵軸旋轉帶動套軸旋轉，套軸通過平鍵與連接盤固定使連接盤旋轉，旋轉的連接盤與風扇葉輪固定而帶動風扇葉輪旋轉，同時，旋轉的套軸通過軸承支撐在風扇靜子上，通過馬達回油經潤滑油管供油給軸承潤滑，冷卻風扇工作.工作時，高速旋轉的風扇葉輪產生的合力通過連接盤、平鍵直接作用在套軸上，再通過套軸上的軸承傳遞到風扇靜子上，最終作用在車輛上，此時馬達僅承受風扇葉輪的純扭矩作用.

2 冷卻風扇失效分析及其結構改進

2.1 冷卻風扇的原始結構設計

冷卻風扇的原始結構設計 (圖1)是依據冷卻風扇參數(shù)及馬達樣本［1］相關參數(shù)計算、校核設計而成，臺架性能試驗滿足設計要求.樣車使用時，發(fā)現(xiàn)冷卻風扇失效，外部特征表現(xiàn)為風扇葉輪、風扇靜子碎，風扇靜子的支撐筋斷，馬達軸斷，見圖3、圖4，可靠性不能滿足實車使用要求.

圖3 冷卻風扇失效圖

圖4 馬達失效圖

2.2 冷卻風扇失效分析

經過分解失效冷卻風扇，并對其失效零部件進行分析、計算、校核、檢測、試驗，得出:

1)風扇靜子的支撐筋與葉片之間的距離小、支撐筋的截面形狀不合理.冷卻風扇工作時，氣體流動經過支撐筋，其后產生卡門渦街，卡門渦街的強度與支撐筋的截面形狀直接相關，現(xiàn)結構產生了較強的卡門渦街;卡門渦街對高速旋轉的風扇葉輪產生附加外力，該附加外力的大小又和支撐筋與葉片間的距離直接相關，由于距離過小，產生了較大的附加外力.

2)風扇葉輪與風扇靜子集成后，風扇葉輪本身的固有頻率對應的耦合轉速在風扇葉輪工作轉速范圍內，在氣動力和卡門渦街產生的作用力共同激勵下，風扇葉輪與風扇靜子產生了共振.

3)高速旋轉的風扇葉輪產生的合力通過連接盤直接作用在馬達的花鍵軸上，該力已到馬達承力極限邊緣.

2.3 冷卻風扇結構改進

依據冷卻風扇失效分析結果，對相關零部件進行了理論計算、校核，作了如下結構改進:

1)將風扇靜子支撐筋的截面形狀由原來的近似橢圓形 (圖5)改成類似機翼形 (圖6).

圖5 原支撐筋截面形狀

圖6 改進后支撐筋截面形狀

2)將風扇葉輪葉片根部圓角加大、葉片頂部變薄 (圖7);將風扇葉輪與連接盤固定處移至風扇葉輪中心，并增加風扇葉輪與連接盤固定處的厚度 (圖2).

圖7 改進后的風扇葉輪

3)增加套軸、平鍵、軸承、潤滑油管等結構件，集成風扇靜子組成新的傳動裝置 (圖2).

4)改變風扇靜子支撐筋的角度，使支撐筋與葉片間保持平行，且支撐筋與葉片間距離盡可能放大 (圖1、圖2).

2.4 結構改進后的效果

1)風扇靜子支撐筋的截面形狀由原來的近似橢圓形改成類似機翼形，可改變卡門渦街形態(tài)，減小卡門渦街的強度.

2)將風扇葉輪葉片根部圓角加大、葉片頂部變薄、風扇葉輪與連接盤固定處移至風扇葉輪中心、并增加風扇葉輪與連接盤固定處的厚度，可減小葉片根部應力水平［2-3］，改善應力分布;改變風扇葉輪本身固有頻率，避開風扇葉輪與風扇靜子的耦合轉速在風扇葉輪工作轉速范圍內，消除氣動力和卡門渦街的激勵而產生的共振.

3)增加套軸、平鍵、軸承、潤滑油管等結構件，集成風扇靜子組成新的傳動裝置，完全改變了馬達花鍵軸的受力狀態(tài)，馬達花鍵軸只傳遞扭矩;套軸通過平鍵與連接盤及風扇葉輪連接，使高速旋轉的風扇葉輪運行更加穩(wěn)定.風扇葉輪除扭矩外的一切作用力通過連接盤、套軸、軸承經風扇靜子直接傳到車體，改善了風扇葉輪的運動狀態(tài)，同時也改善了冷卻風扇的工作狀態(tài).

4)改變風扇靜子支撐筋的角度，使支撐筋與葉片間保持平行，且支撐筋與葉片間距離盡可能放大，盡量消除或減小卡門渦街對風扇葉輪的影響，減小或避免了卡門渦街對風扇葉輪的激勵.

3 試驗驗證

3.1 風扇葉輪固有頻率試驗

通過激振試驗，其平均固有頻率為466 Hz，比未改進的風扇葉輪平均固有頻率提高63 Hz，風扇葉輪與風扇靜子的耦合轉速為5592 r/min，已避開風扇葉輪工作轉速.

3.2 冷卻風扇臺架強化有限壽命考核試驗

依據車輛使用壽命，進行了臺架強化有限壽命考核試驗，試驗結果見表1.

表1 考核時間分配表

強化試驗結果表明:總試驗時間達502.5 h后，冷卻風扇工作正常.樣車使用狀況良好，滿足車輛可靠性要求.

4 結論

1)通過對冷卻風扇的改進設計，掌握了該冷卻風扇的設計方法，積累了經驗，為同類產品的設計奠定了基礎.

2)各種試驗結果說明:改進后的冷卻風扇，結構合理，各部件之間匹配良好，滿足車輛設計要求、系統(tǒng)要求、可靠性要求及使用要求.

［1］博世力士樂 (中國)有限公司，行走機械用液壓及電子控制元件樣本 ［M］.RC 64017，2008.

［2］JIFENG Wang，QUBOLI，NORBERT MULLER.Me chanical And Optimization Analyses For Novel Wound Composite Axial Impeller［C］.//2009 ASME International Mechanical Engineering Congress And Exposition，2009.

［3］陶春虎，習年生，張衛(wèi)方.斷口反推疲勞應力的新進展 ［J］.航空材料學報，2000，20(3):158-163.